子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器技术

本发明专利技术涉及一种子模块电路。包括主回路和充放电回路；主回路包括一个开关模块，充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，充放电支路的每条支路均包括一个辅助电容，任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开。上述子模块电路，应用于模块化多电平电压源换流器中，相比于全桥型子模块以及半桥型子模块，大幅提高子模块中电容的利用率，减少了子模块中电容的总体积以及重量，有助于大幅减少子模块以及换流器整体的体积以及质量。本发明专利技术还涉及一种子模块电路的控制方法和一种模块化多电平换流器。

【技术实现步骤摘要】
子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器
本专利技术涉及输配电
，特别是涉及一种子模块电路、子模块电路控制方法和一种模块化多电平换流器。
技术介绍
近年来，模块化多电平换流器发展迅速，已经成功地应用在长远距离高压直流输电系统以及海上新能源发电(包括风力发电以及海浪发电)并网系统等大容量高电压输变电领域。而随着技术的发展，模块化多电平换流器已逐渐向小型化发展。模块化多电平换流器是由多个结构相同的子模块级联构成的，由于半桥子模块的结构简单、成本低、损耗小，目前的模块化多电平换流器子模块多采用半桥子模块。在理想情况下，模块化多电平换流器子模块的电容需要同时满足两个条件：第一，需要足够大的电容容值以限制纹波电压；第二，需要其允许足够大的纹波电流以避免电容过热。在实际运用中，这两个条件总不能被同时满足，而为了使子模块的电容可以吸收低次的谐波以平衡交流侧以及直流侧的波动功率，通常会按照纹波电压来设置电容容值，而该方式不仅使子模块中的电容得不到充分利用，同时也增大了电容体积和重量，使具有该电容的子模块的体积和重量过大，从而使模块化多电平换流器无法满足小型化需求。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述问题，提供一种子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器，不仅可以充分利用子模块的电容，而且可以降低子模块的体积和重量。一方面提供一种子模块电路，包括：主回路和充放电回路；所述主回路包括一个开关模块；所述充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，各条充放电支路并联后与所述支撑电容串联；任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开；主回路的两端分别与充放电支路和支撑电容连接；所述主回路与所述充放电支路连接的一端为子模块的第一端；每条充放电支路包括一个辅助电容，且各个辅助电容的初始电压不同；充电时，多条充放电支路按照其辅助电容的初始电压从大到小的顺序依次导通，电流从所述第一端流入，对所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；放电时，多条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压从小到大的顺序依次导通，所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容放电，放电电流从所述第一端流出。另一方面提供一种自模块电路的控制方法，所述控制方法包括：旁路态时，控制所述主回路导通，所述充放电回路中各条充放电支路均断开；工作态时，控制所述主回路断开，并按辅助电容初始电压从大到小依次导通各条放电支路，以对充放电回路中的支撑电容以及导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；当所有充放电支路充电完成后，控制所述充放电回路进入放电过程，在所述放电过程中按辅助电压从小到大依次导通各条充放电支路，以通过充放电回路中的支撑电容以及导通的放电支路中的辅助电容进行放电。再一方面提供一种模块化多电平换流器，包括所述的子模块电路。上述实施例，应用于模块化多电平电压源换流器中，相比于全桥型子模块以及半桥型子模块，大幅提高子模块中电容的利用率，减少了子模块中电容的总体积以及重量，有助于大幅减少子模块以及换流器整体的体积以及质量。附图说明图1为一个实施例中子模块电路的结构示意图；图2为一个实施例中子模块电路处于工作态和旁路态时的电流方向图；图3为一个实施例中模块化多电平换流器的结构示意图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本专利技术实施例的技术方案，进行清楚和完整的描述。请参见图1，一种子模块电路，包括：主回路和充放电回路；所述主回路是一个开关模块；所述充放电回路包括N条充放电支路和一个支撑电容，其中N≥2，各条充放电支路中包含一个辅助电容，第N条充放电支路包含的辅助电容CN初始电压可以为零，即不包含辅助电容，各个辅助电容的初始电压不同。其中，各条充放电支路依次并联后与一个支撑电容串联；主回路与充放电回路串联；所述支撑电容与主回路连接的一端为子模块的第一端，所述充放电支路与主回路连接的一端为子模块的第二端；任意一条所述充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路同时断开，如此可使所述子模块电路处于工作态时，有且只有一条充放电支路处于导通状态。上述的子模块电路处于工作态时，其中的所述支撑电容和所述辅助电容将被充电或放电。所述支撑电容和所述辅助电容的充放电状态由流经所述子模块的第一端的电流方向决定，而该电流等于流经此子模块所属的换流器换流臂中的电流，通常由交流与直流成分组成。交流成分中其基波频率等于换流器交流侧的电流频率，直流成分的幅值与极性由此换流器所转换的有功功率与直流侧的电压决定。在一个交流周期内，子模块中的所述支撑电容和所述辅助电容将被进行一次充电和放电过程，下面对所述充电过程和所述放电过程做具体介绍。充电时，由于每条充放电支路的所述辅助电容的初始电压不同，因此，可以控制各条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压的从大到小的顺序依次导通；而电流从所述子模块的第一端流入后，会对所述支撑电容和导通的充放电支路中的辅助电容进行充电，直至所述N条充放电支路中的各个辅助电容均充满电。充电结束后，开始放电过程。在放电时，各条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压的从小到大的顺序依次导通；所述支撑电容和导通的充放电支路中的辅助电容进行放电，产生的电流从所述子模块的第二端流出。值得说明的是，若第N条充放电支路不包含辅助电容，则直接对支撑电容进行充放电。在上述充放电过程中，由于在充电过程中每条充放电支路是按照各辅助电容的初始电压的从大到小的顺序依次导通的，因此，可以保证后一条充放电支路导通时，前一条充放电支路中的辅助电容是充满电的，如此，在最后一条充放电支路中的辅助电容充满电时，也就意味着所有N条充放电支路中的各个辅助电容均已充满电。而在放电过程中每条充放电支路是按照各辅助电容的初始电压的从小到大的顺序依次导通的，因此，可以保证在最后一条充放电支路中的辅助电容放电完毕时，所述N条充放电支路中的各个辅助电容均已放完电。综上，所述子模块电路可以充分利用各个辅助电容，使子模块的电容容值不需要很高，而电容的体积和重量与电容容值直接相关，因此，在保证可以充分利用各个辅助电容的同时还可以降低子模块的电容体积和重量，从而使子模块的体积和重量减小。此外，上述的子模块电路中各条充放电支路的切换控制可以采用诸如半桥型电路的子模块的控制方法。示例性的，在一个实施例中，为了确保具有子模块的换流器的正常工作，每个子模块在工作态时的输出电压通常被要求限制在一个很窄的范围内，例如在其额定直流电压的±10％内波动。而每个子模块在工作态时的输出电压等于导通的充放电支路上的辅助电容与支撑电容的电压之和。而且，在子模块处于工作态的任意时刻，有且只有一条充放电支路处于导通状态，其他充放电支路处于截止状态，此时只有一个辅助电容在进行充放电，但在整个工作态时段内，支撑电容都在进行充放电。因此，子模块的输出电压可以控制在一定范围内波动。而为了适应不同的输出电压要求，所述支撑电容和所述辅助电容可以选用相同或不同的电容值以及额定电压。此外，所述子模块电路中各条充放电支路的切换控制以及各辅助电容的电压平衡都只在该子模块的范围内进行，并不需要换流器内其他子模块或设备的辅助。这确保了子模块在控制上的独立性，也保留了模块化多电平换流器的模块化所具有的优势。所述子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种子模块电路，其特征在于，包括：主回路和充放电回路；所述主回路包括一个开关模块；所述充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，各条充放电支路并联后与所述支撑电容串联；任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开；主回路的两端分别与充放电支路和支撑电容连接；所述主回路与所述支撑电容连接的一端为子模块的第一端；每条充放电支路包括一个辅助电容，且各个辅助电容的初始电压不同；充电时，多条充放电支路按照其辅助电容的初始电压从大到小的顺序依次导通，电流从所述第一端流出，对所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；放电时，多条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压从小到大的顺序依次导通，所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容放电，放电电流从所述第一端流入。

【技术特征摘要】
1.一种子模块电路，其特征在于，包括：主回路和充放电回路；所述主回路包括一个开关模块；所述充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，各条充放电支路并联后与所述支撑电容串联；任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开；主回路的两端分别与充放电支路和支撑电容连接；所述主回路与所述支撑电容连接的一端为子模块的第一端；每条充放电支路包括一个辅助电容，且各个辅助电容的初始电压不同；充电时，多条充放电支路按照其辅助电容的初始电压从大到小的顺序依次导通，电流从所述第一端流出，对所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；放电时，多条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压从小到大的顺序依次导通，所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容放电，放电电流从所述第一端流入。2.根据权利要求1所述的子模块电路，其特征在于，所述辅助电容中初始电压的最小值为零。3.根据权利要求1所述的子模块电路，其特征在于，所述充放电支路中的第一条充放电支路还包括一个开关模块，所述开关模块与所述第一条充放电支路中的辅助电容串联；所述充放电回路中的其他充放电支路还包括两个开关模块，所述两个开关模块反相串联之后与对应的辅助电容串联。4.根据权利要求3所述的子模块电路，其特征在于，每个开关模块包括反相并联的一个二极管和一个全控型器件。5.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括：权利要求1至4任一项所述的子模块电路。6.一种子模块电路的控制方法，其特征在于，所述子模块电路为权利要求1所述的电路，所述控制方法包括：旁路态时，控制所述主回路导通，所述充放电回路中各条充放电支路均断开；工作态时，控制所述主回路断开，并按辅助电容初始电压从大到小依次导通各条放电支路，以对充放电回路中的支撑电容以及导通的充放电支路中的辅助电容进行充电...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐渊，郭晓斌，雷金勇，于力，喻磊，田兵，马溪原，魏文潇，白浩，练依情，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广东,44